湍流球法:评估风洞流量质量

在空气动力学测试中，风洞对于确定各种物体和缩放飞机的空气动力学特性非常有价值。风洞数据是通过对安装在测试部分内的测试模型施加受控气流来生成的。测试模型通常具有相似的几何结构，但与真实对象相比，其比例较小。

为了确保风洞测试中生成的数据的有用性，我们必须确保风洞流场与真实物体上的实际流场之间的动态相似性。为了保持动力学相似性，风洞实验的雷诺数必须与正在测试的流动现象的雷诺数相同。

然而，由于风洞测试部分内自由流湍流的影响，在风洞或自由空气中进行的实验，即使使用相同的雷诺数测试，也会提供不同的结果。这些差异可能被视为风洞的更有效雷诺数。那么，我们如何将风洞中的测试与自由空气实验联系起来呢？

我们可以使用具有已知流动行为的明确定义对象（如球体）来估计风洞中自由流湍流的强度。此方法称为湍流球方法。湍流球体方法依赖于经过充分研究的球体阻力危机条件。

球体阻力危机描述了当雷诺数达到临界值时球体的阻力系数突然下降的现象。当流动达到临界雷诺数时，边界层在非常靠近球体前缘的地方从层流转变为湍流。与低雷诺数的流动相比，这种转变会导致流动分离延迟和更薄的湍流尾流，从而减少阻力。

因此，我们可以在一系列测试雷诺数下测量球体的阻力系数，以确定临界雷诺数。这使我们能够确定湍流因子，该因子将检验雷诺数与雷诺数的优效值相关联。

在本实验中，我们将演示使用风洞和几个带有内置测压口的不同湍流球的湍流球方法。

该实验利用空气动力学风洞以及几个不同直径的湍流球来确定隧道测试段中自由流的湍流水平。湍流球体，每个球体在前缘都有一个测压口，以及 4 个位于 22.5？从后缘开始，具有明确定义的流动特性，这有助于我们分析风洞中的湍流。

要设置实验，首先将风洞皮托管连接到压力扫描仪端口 1。然后，将风洞静压端口连接到 2 号端口。现在，锁定外部余额。将球体支柱固定在风洞内的平衡支架中。

然后，在 Sphere 中安装 6。将前缘测压口连接到测压仪端口 3，并将四个后测压口连接到端口 4。将供气管线连接到压力调节器，并将压力设置为 65 psi。然后，将压力扫描仪的歧管连接到调节为 65 psi 的压力管线。

启动数据采集系统和压力扫描仪。当系统平衡时，根据光滑球体的自由空气临界雷诺数估计测试所需的最大动态压力 q max。

在这里，我们列出了每个球体的第一次和第二次测试的推荐测试参数。现在，使用这些参数，定义从 0 到 q max 的动态压力测试范围，然后通过将范围划分为 15 个区间来定义测试点。

在运行实验之前，读取房间内的气压并记录该值。此外，读取室温并记录其值。使用室温对气压进行校正，并使用压力计制造商提供的方程式对地理位置进行校正。

现在，首先打开扫描程序来设置数据采集软件。然后，通过设置正确的 IP 地址并按下连接来连接软件 DSM 4000，该软件读取和校准来自压力传感器的信号。如图所示插入由制造商定义的命令，请记住在每个命令后按 Enter。

现在软件已准备就绪，请检查以确保测试部分和风洞没有碎屑和松动的部件。然后，关闭测试部分的门并检查风洞速度是否设置为零。打开风洞，然后打开风洞冷却系统。

当风速等于零时，开始在数据采集系统上记录数据，然后键入命令 scan 开始压力测量。然后，记录风洞温度。由于风速与动压直接相关，因此请提高风速，直到到达下一个动压测试点。然后，等待空气速度稳定下来，然后再次开始压力扫描。请务必记录风洞温度。通过在每个动态压力点进行压力扫描来继续实验，每次记录风洞温度。测量完 6 英寸球体的所有点后，对 4.987 英寸和 4 英寸湍流球体重复稳定和压力扫描实验。

对于每个球体，我们测量了压力口 3 的停滞压力和通过压力口 4 测量后口的压力，减去它们得到压力差 delta P。我们还测量了来自压力口 1 的测试段总压力 Pt 和来自压力口 2 的静压 Ps，用于确定测试动压 q.

然后我们可以计算出归一化压力，它等于压差除以动压。还记录了气压和气流温度，从而能够计算气流特性。回想一下，测试部分有一个槽，这意味着它对环境空气开放。因此，假设测试部分没有流向压力梯度，则可以将自由流的局部静压的绝对值用作环境气压。

密度使用理想气体定律获得，粘度使用 Sutherland 公式获得。一旦确定了空气密度和粘度，我们就可以计算雷诺数。在这里，我们显示了雷诺数与归一化压力差的图，即 δ P 与 q.

使用此图，我们可以确定每个球体的临界雷诺数，因为临界雷诺数对应于归一化压力值 1.22。对于每个临界雷诺数，我们可以评估湍流因子和有效雷诺数。湍流因子与风洞中湍流的强度相关。

总之，我们了解了自由流湍流如何影响风洞中的测试。然后，我们使用几个光滑的球体来确定风洞流的湍流因子和强度，并评估其质量。